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Dissertationen

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Erstellt: Tue, 25 Feb 2020 23:01:49 +0100 in 0.0379 sec


Ortlepp, Thomas;
Dynamische Analyse stochastischer Einflüsse in der supraleitenden Einzelflussquantenelektronik. - Ilmenau : Wiss.-Verl. Ilmenau, 2005. - XI, 159 S.. . - (Forschungsberichte aus dem Institut für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2004
ISBN 3-936404-14-3

Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine grundlegende Untersuchung von Systemen der digitalen Signalverarbeitung mit geringem energetischen Abstand zwischen Signal und Rauschen. Die zukünftige Entwicklung der Halbleiterelektronik basiert wesentlich auf der Verringerung der Schaltenergie. Dabei muss aber stets ein sicheres energetisches Verhältnis zwischen Daten- und Rauschsignal gewährleistet sein. Das Qubit als aktuellste Entwicklung einer neuen signalverarbeitenden Technologie liegt schon deutlich in einem Bereich, in dem keine klassische digitale Datenverarbeitung mehr möglich ist. Die Einflüsse durch Rauschen und Quantenfluktuationen lassen nur noch stochastische Algorithmen zu. Die supraleitende Einzelflussquantenelektronik (engl. rapid single flux quantum; RSFQ) stellt aus energetischer Sicht den Mittelweg zwischen Qubits und Halbleiterelektronik dar. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist nicht so kritisch wie bei Qubits, aber deutlich ungünstiger als in der Halbleiterelektronik. Für die Anwendung dieser supraleitenden Elektronik besteht die Notwendigkeit für eine umfangreiche Untersuchung zum Einfluss des Rauschens auf die Zuverlässigkeit von Schaltungen in der digitalen Signalverarbeitung. Dabei wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst eine genaue Berechnungsmethode für Schaltfehlerraten erarbeitet. Die praktische Anwendung ist durch die ebenfalls entwickelte Weiterführung zu einer leistungsfähigen und ingenieurtechnisch einsetzbaren Näherungsmethode gewährleistet. In der vorliegenden Dissertationsschrift wird konkret die Frage nach der Realisierbarkeit von RSFQ-Logikschaltungen bei starken Rauscheinflüssen untersucht. In der klassischen RSFQ-Technik mit Tieftemperatur-Supraleitern bei 4,2 K spielen Schaltfehler eine unwesentliche Rolle. Lediglich starke Variationen der Schaltzeit (über 10 %) können die Herstellung komplexer Schaltungen beeinträchtigen. Es zeigt sich weiterhin, dass RSFQ-Schaltungen mit Hochtemperatur-Supraleitern bei 20-60 K durchaus fehlerfrei funktionieren können. Allerdings ist dafür ein grundsätzliches Umdenken im Entwurfsprozess dieser Schaltungstechnik erforderlich. Diese Arbeit beschreibt ausführlich die dazu notwendigen Schritte. Alle Berechnungen sind zwar eng an die Einzelflussquantenelektronik geknüpft, sie können aber qualitativ auch auf zukünftige Halbleiterschaltungen mit sehr geringer Schaltenergie übertragen werden.



Ižák, Richard;
Ein Beitrag zur Implementierung von biologisch-orientierten Architekturen für die akustische Signalverarbeitung in CMOS-Technologie, 2004. - 215 S.. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2004
ISBN 8088997216
- Sprache der Zusammenfassung: Englisch

Die Arbeit befasst sich mit der Problematik der VLSI-Integration feuernder Neuronen der dritten Modellgeneration als Basiselementen komplexer neuromorphen Systeme. Am Anwendungsbeispiel eines akustischen Schallquellenlokalisationssystems basierend auf Koinzidenzdetektion der Neuronfeueraktivität werden die wichtigen Eigenschaften der zu implementierenden Neuronschaltung diskutiert. An zwei neuartigen analogen CMOS-Schaltungen spikender Neuronen wird die Auswirkung auf das Feuerverhalten der gewählten Modellierungstiefe diskutiert und Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Dabei werden Vor- und Nachteile der jeweiligen Schaltungstechnik im Bezug auf die erzielbare neurophysiologische Modelltreue verglichen: die Unterschiede zwischen Analog- und Digital-Schaltungen, sowie im Speziellen für den Analogbereich zwischen Spannungs- und Strom-CMOS-Technik, wischen der schwachen und starken Inversion als Arbeitsregimen der MOS-Transistoren. Resultierend wird eine neuartige Analogschaltung in Stromtechnik mittels MOSFETs in starker Inversion vorgestellt, die Feueradaption aufweist und durch ihre Universalität sowohl Spike-Response- als auch Integrate-and-Fire-Neuronenmodelle emulieren kann. Das vorgeschlagene analoge VLSI-Neuron besitzt neurophysiologisch relevante, parametrisierbare ms-Zeitglieder mit alpha- und beta-Signalverläufen verteilt in die einzelnen Synapsenblöcke, wodurch seine Anwendbarkeit erweitert wird. Basierend auf diesen Elementarzellen wird der Aufbau eines neuromorphen auditorischen Lokalisationssystems als analoges Multi-Chip-System gezeigt, sowie weitere zum Entwurf notwendigen CMOS-Analogblöcke detailiert diskutiert: hochlinearer Spannungs-Strom-Wandler basiert auch hochohmigen Inverterschaltungen, universelle, stromsparende Operationsverstärker für schwache und starke MOS-Inversion, sowie ein zyklischer 12-Bit Analog/Digital-Wandler in Switched-Capacitor Schaltungstechnik.



Roscher, Burkhard;
Meßverfahren zur Analyse DQPSK-modulierter OFDM-Signale. - Ilmenau : Wiss.-Verl. Ilmenau, 2004. - XII, 159 S.. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2003
ISBN 3936404097

Aus der zunehmenden Nutzung DQPSK-modulierter OFDM-Signale zur Hörrundfunkversorgung erwachsen neue Anforderungen an die eingesetzte Meßtechnik, denen die verfügbaren Geräte nur teilweise gerecht werden. Deshalb behandelt die vorliegende Arbeit Meßverfahren zur Analyse derartiger Signale. Die Algorithmen umfassen die Bewertung der Empfängersynchronisation, ein analytisches Verfahren zur Messung der I/Q-Unsymmetrien des Basisbandsignals, die Abschätzung seiner nichtlinearen Verzerrungen und die Nutzung der Kanalimpulsantwort zur Beurteilung der Ausbreitungsbedingungen im Sendernetz. Alle Meßverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß ihr Einsatz im regulären Sendebetrieb möglich ist. Ausgangspunkt der Arbeit sind die mathematische Beschreibung des OFDM-Signals und die Charakterisierung der Komponenten seiner Übertragungsstrecke. Sie bilden die Grundlage für die Auswahl aussagekräftiger Darstellungsformen im Zeit- und Frequenzbereich und für die Herleitung geeigneter Meßverfahren zur Bewertung der Signalqualität. Dabei wird der DFT-basierte OFDM-Demodulator als Bandpaß-Filterbank interpretiert und das Übertragungsverhalten seiner Teilfilter in kompakter Form beschrieben. Es wird gezeigt, daß sich sein Ausgangssignal mit Hilfe der Faltung berechnen läßt. Erst diese Herangehensweise erlaubt eine effiziente und gleichzeitig anschauliche Behandlung der OFDM-Demodulation. Um einen Nachweis über die Leistungsfähigkeit der Algorithmen zu erbringen, wurde ein echtzeitfähiger Prototyp-Empfänger für DAB konzipiert und aufgebaut. Er ermöglicht erstmals, das Symbolspektrum des Basisbandsignals zu visualisieren und anhand von Konstellationsdiagrammen die Ergebnisse seiner differentiellen Demodulation entlang der Zeit- und Frequenzachse zu beobachten. Die statistischen Eigenschaften des Zeitsignals werden analysiert. Des weiteren sind die graphische Darstellung der I/Q-Unsymmetrien des Basisbandsignals und die Anzeige seiner AM/AM- und AM/PM-Konversion implementiert. Die Hard- und Software eines modular aufgebauten Prototyp-Empfängers wird beschrieben. Herzstück des Gerätes ist ein miniaturisierter PC, als Betriebssystem kommt \textsc{Linux} zum Einsatz. Die Aufbereitung und Aufzeichnung des DAB-Signals übernehmen ergänzende Baugruppen; seine Verarbeitung und Analyse erfolgen weitestgehend im PC. Die erforderlichen Algorithmen sind in ANSI-C programmiert, und die Bedienoberfläche des Prototyp-Empfängers wurde mit der Skriptsprache Tcl/Tk gestaltet. Eine modifizierte Nutzung des I/Q-Aufwärtsmischers unter vollständiger Vermeidung von I/Q-Unsymmetrien wird vorgeschlagen; sie ermöglicht eine preiswertere Realisierung von direktmodulierenden OFDM-Sendern. Zahlreiche Diagramme verdeutlichen den Einfluß von Sender und Empfänger auf die Signalqualität. Ihre Berücksichtigung bei der Auswahl von Baugruppen erlaubt, sehr hochwertige Gerätekonzepte zu entwerfen oder eine Kostensenkung in der Massenfertigung von Empfängern zu erzielen. Die Umsetzung der vorgestellten Meßverfahren in einem modularen Gerätekonzept ermöglicht den Aufbau preiswerter, kompakter und mobil einsetzbarer Meßempfänger. Diese werden den besonderen Anforderungen, die sich aus dem Einsatz DQPSK-modulierter OFDM-Signale ergeben, vollauf gerecht.



Romanus, Erik;
Einzelflußquantenelektronik-Schaltungen in Niob-Technologie. - Ilmenau : ISLE, 2003. - X, 96 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2003
ISBN 3932633733

In der vorliegenden Arbeit wurden auf dem (Trilayer-) Materialsystem Nb/AlO_x/Nb basierende Einzelflussquanten (RSFQ)-Schaltungen entworfen, optimiert und dann experimentell untersucht.\\ Die erforderliche Technologieentwicklung fusste auf den am Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) Jena vorhandenen Erfahrungen bei der Präparation ungeshunteter Josephsonkontakte, die zum Aufbau von Spannungsstandards verwendet werden. Weil die Herstellung geshunteter (stark gedämpfter) Josephsonkontakte Voraussetzung zur Realisierung schneller Einzelflussquantenschaltungen ist, wurde der relevante Prozess zunächst um einen Schritt zur Formierung externer Shunts mittels Dünnschichtwiderständen erweitert. Ausserdem wurde damit auch eine analoge Forderung für die Präparation von SQUID-Schaltkreisen erfüllt. Als geeignetes Widerstandsmaterial erwies sich Molybdän, das bei einer Schichtdicke von 80nm einen Flächenwiderstand von 1Ohm pro Strukturquadrat besitzt und darüberhinaus weitere Vorteile für die Herstellung von Widerstandsschichten in kryoelektronischen Schaltungen bietet.\\ Danach wurde der technologische Prozess durch weitere Schritte zur Präparation benötigter supraleitender und isolierender Schichten komplettiert. Mit der Herstellung geeigneter Teststrukturen zur Kontrolle aller wesentlichen Technologieparameter waren schliesslich die Voraussetzungen zur weiteren Optimierung des technologischen Prozesses gegeben.\\ Im Vorfeld der experimentellen Verifikation der Leistungsfähigkeit der entwickelten Technologie wurde nun ein RSFQ-Spannungsverdoppler hinsichtlich maximaler Ausbeute optimiert. Die nach der Schwerpunktmethode (Centers of Gravity Method) ausgeführte Optimierung ergab, dass die Funktionsfähigkeit des Verdopplers noch für Parametertoleranzen von +-35 gewährleistet war. Eine zusätzliche Abschätzung der Fehlerrate dieser optimierten Schaltung führte auf die Grössenordnung von 10^-40 Schaltfehlern pro Sekunde. Daher sind praktisch keine thermisch induzierten Schaltfehler bei einer Betriebstemperatur von 4,2K zu erwarten.\\ Nach Entwicklung eines Messplatzes zur elektrischen Charakterisierung von Einzelflussquantenschaltungen wurden weitere ausgewählte RSFQ-Strukturen realisiert und experimentell untersucht. Das Vorgehen wurde zunächst anhand einer einfacheren Schaltung (DC/SFQ-Wandler - Josephson-übertragungsleitung - SFQ/DC-Wandler) getestet. Danach folgten Aufbau und messtechnische Charakterisierung des zuvor optimierten Spannungsverdopplers. Mit Hilfe der Strom-Spannungs-Kennlinie wurde dessen Funktion bis zu einer Ausgangsfrequenz von 125GHz nachgewiesen.\\ Die bitgenaue Untersuchung von Einzelflussquanten-Schaltungen ist aufgrund ihrer hohen Dynamik nicht trivial. Insbesondere lassen sich Bitfehler in der Schaltung durch Messung zeitgemittelter Spannungen nicht detektieren. Deshalb wurde eine Schaltung zur Detektion von Bitfehlern des Spannungsverdopplers entworfen und der Nachweis einzelner Fehloperationen simuliert.



Wolf, Mike;
Zur breitbandigen Infrarot-Indoorkommunikation, 2002. - Online-Ressource (PDF-Datei: 152 S., 2,36 MB). Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2002

In der vorliegenden Arbeit wurden die wichtigsten physikalischen Aspekte der drahtlosen IR- Übertragung analysiert; wesentliche Ergebnisse flossen in den Entwurf und den Aufbau einer experimentellen IR-Schnittstelle ein, die bei 16-Mbit/s arbeitet. Der Experimentalaufbau zeigt: Unter der Prämisse sehr einfacher optischer Komponenten ist eine Bitrate von 16-Mbit/s realisierbar, wenn LOS-Verbindungen und vergleichsweise hohe Sendeleistungen akzeptiert werden. Der Aufbau bestätigt damit zuvor gewonnene theoretische Erkenntnisse. Der Entwurf der Schnittstelle wurde nachvollziehbar dargestellt, er verdeutlicht am praktischen Beispiel die wesentlichen Probleme der ungerichteten optischen Übertragung. Aus Sicht des Nutzers hat die flexible Plazierbarkeit eines Endgeräts eine hohe Bedeutung: Im Vergleich zu LOSKonfigurationen treten bei difusen Verbindungen aber neben erhöhten Einbußen durch Mehrwegedispersion auch deutlich höhere Ausbreitungsverluste auf. Dabei ist der Ausbreitungsverlust nicht die eigentliche Schwachstelle der optischen Übertragung, wenn als Referenz die Funkübertragung dient. Denn die difuse Reaktivität vieler Umgebungsmaterialien ist hoch, das haben die eigenen Messungen bestätigt. Das wesentliche Problem der IR- Übertragung ist die schlechte Empfängerempfindlichkeit; im Beispiel wies der optische Detektor einen im Vergleich zum Funkempfänger 46-56 dB niedrigeren Wert auf - letztlich muß dieser Parameter durch einen möglichst geringen Pfadverlust kompensiert werden. Da mit einer difusen Reflexion immer eine hohe Ausdünnung der Signalintensität korrespondiert, sind mit der heutigen Empfängertechnologie keine ökonomischen Lösungen für difuse oder quasidifuse Verbindungen möglich, wenn die Detektorfläche auf wenige cm2 begrenzt bleiben soll. Gerade bei zunehmend kleiner werdenden Endgeräten bzw. der wachsenden Verbreitung von Handhelds ist aber die Einbaugröße von hoher Bedeutung. "Nicht ökonomisch" bezieht sich dabei sowohl auf die notwendigen Herstellungskosten als auch auf die Sendeleistung. Einem leistungseffizienten Modulationsverfahren kommt in Anbetracht der limitierten Empfängerempfindlichkeit eine hohe Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang wurde der theoretisch erreichbare Gewinn durch Binärcodierung dargestellt. Es wurde gezeigt, daß sich MPPM-Varianten mit großer Symbollänge dieser theoretischen Grenze immerhin bis auf etwa 3-4 dB nähern. Die tatsächliche Eignung eines Modulations- bzw. Codierverfahrens kann allerdings erst in Zusammenhang mit dessen Eigenschaften bei Übertragung in realen (dispersiven) Kanälen beurteilt werden: Für die experimentelle Schnittstelle zeigte "konventionelles" 4-PPM das ausgewogenste Verhalten. PPM höherer Ordnung verspricht bei ungerichteter Übertragung mit nicht-sektorisierten Komponenten aufgrund einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Mehrwegedispersion keine Vorteile bzgl. der Signalleistung. Optischen Mehrträgerverfahren kommt im Zusammenhang mit der aktuellen Empfängertechnologie dagegen keine relevante praktische Bedeutung zu: Letztlich kann die optische Übertragung aufgrund der großen spektralen Breite der Detektoren nur in geringem Maße von der eigentlichen Größe des optischen Spektrums proftieren. Die Parameter der optischen bzw. optoelektronischen Empfängerkomponenten haben wesentlichen Einfluß auf Gütekriterien wie die mögliche Bitrate (in diesem Zusammenhang wurde gezeigt, wie der Delay-Spread durch den FOV beeinflußt wird) und die schon angesprochene Empfängerempfindlichkeit. Technologische Aspekte zum Empfänger wurden ausführlich diskutiert. Es wurde eine neue Realisierungsmöglichkeit für ein optisches Filter vorgestellt, das in seiner einfachsten Variante einen Leistungsvorteil von ca. 1.5 dB gegenüber einem Farbglasfilter verspricht - bei ähnlichen Kosten. Wird von einer Silizium-Photodiode abgesehen, sind Gewinne von 5-6.5 dB realistisch. Ausführlich wurde auch die Photodiode behandelt, aus deren (quadratischer) Wandlungscharakteristik die prinzipiellen Unterschiede zum Funk resultieren. Avalanche-Photodioden können bei angepaßtem Verstärkerdesign (auch dieser Aspekt wurde sowohl theoretisch als auch am praktischen Beispiel diskutiert) keine Vorteile gegenüber PIN-Photodioden erreichen, weil die Empfängerempüdlichkeit selbst bei Imaging-Receivern durch das Schrotrauschen des Photostroms bestimmt wird. Silizium-Alternativmaterialien für größere Betriebswellenlängen scheitern dagegen zumindest bei großflächigen Dioden an einer zu hohen Kapazität. Überhaupt sind die Parameter einer Photodiode, die für drahtlose Anwendungen eingesetzt werden soll, nicht unmittelbar mit denen einer Diode vergleichbar, die für den faseroptischen Einsatz konzipiert wurde: Durch die große Fläche der Diode muß die Kapazitätä durch eine vergleichsweise hohe Schichtdicke kompensiert werden, die wiederum die Ladungsträgerlaufzeiten negativ beeinflußt. Tatsächlich muß eine Photodiode dem konkreten Anwendungsfall angepaßt werden - das zeigte sich gerade beim Aufbau der Experimentalschnittstelle anhand der zu geringen Grenzfrequenz einer eingesetzten Photodiode. Viele internationale Aktivitäten gelten heute der Untersuchung sektorisierter Sender und Empfänger. Soll die Datenrate der vorliegenden IR-Schnittstelle deutlich erhöht werden, wären zumindest auf der Seite der Basisstation sektorisierte Komponenten angebracht, wenn der abzudeckende Raumbereich beibehalten werden soll. Dabei muß allerdings eine genaue Kosten-Nutzen-Abwägung durchgeführt werden: Nach Ansicht des Autors müssen IR-Produkte letztlich deutlich preiswerter als Funklösungen sein, weil der Nutzer auch einen erheblichen Kompromiß hinsichtlich der Plazierbarkeit und der Störanfälligkeit eingehen muß. An dieser Tatsache wird auch eine im Vergleich zum Funk höhere Datenrate nur wenig ändern. Nach Ansicht des Autors können Verbesserungen vornehmlich auf technologischem Gebiet erreicht werden. Gerade für hoch-sektorisierte Sender und Empfänger sind einfachere Lösungen gefragt. Bei LOS-Verbindungen erspricht vor allem die Sektorisierung der Sender hohe Gewinne bzgl. der Signalleistung | allerdings benotigt ein solcher Sender auch eine Information über die Richtung des anderen Endgeräts. Auch hier fehlen einfache Lösungen. Ein besonders kritischer Punkt ist das optische Filter; ob ein Gewinn von 5-6.5 dB allerdings die Anwendung direkter Mischhalbleiter als Photodiodenmaterial rechtfertigt, kann vom Autor als Nicht-Technologen derzeit nicht mit Klarheit beantwortet werden. Nach Ansicht des Autors wird IR im WLAN-Bereich eine Nischenlösung bleiben. Das Potential liegt vornehmlich in sehr preiswerten Schnittstellen, die dem Nutzer über geringe Entfernungen einen besonders schnellen Datenabgleich zwischen Endgeräten ermöglichen. Evtl. bieten auch Doppellösungen von Funk und IR in einem Gerät Vorteile: Funk garantiert eine hohe Flexibilität, IR eine hohe Datenrate. Dazu muß die IR-Komponente aber klein und preiswert ausfallen.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=1176
Freund, Ronald;
On computer aided modeling of photonic systems and networks, 2002. - Online-Ressource (PDF-Datei: 193 S., 28,8 MB). Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2002

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=1166
Schneider, Michael;
Analytische Berechnung pyramidenförmiger Wellenleiter mit ein- und zweifach zusammenhängenden Querschnitten. - Ilmenau : Wiss.-Verl. Ilmenau, 2002. - VIII, 92 S.. . - (Forschungsberichte aus dem Institut für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik. - 5) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2002
ISBN 3-936404-01-1

Mohr, Thomas;
Modellierung von nichtlinearen Differentialgleichungen zum Aufbau elektronischer Schaltungen bei vorgegebenem Bifurkationsverhalten. - Ilmenau : Wiss.-Verl. Ilmenau, 2002. - IV, 172 S. . - (Forschungsberichte aus dem Institut für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik. - 3) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2001
ISBN 3-9806486-6-4

Goerlich, Jan;
Messung der spektralen Korrelation zyklostationärer Prozesse. - Ilmenau : ISLE, 2001. - XII, 97 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss, 2001
ISBN 3932633660
- Literaturverz. S. 93 - 97

Müller, Carsten;
Ein Beitrag zur Empfindlichkeitsanalyse an Magnetstrukturen. - Ilmenau : ISLE, 2001. - 111 S. . - (Forschungsberichte aus dem Institut für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik. - 3) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2001
ISBN 3-932633-64-4